过氧化氢凝胶雾化及二次补燃特性研究

摘要

以提升固体推进剂的燃烧效率为目的，开展了对凝胶推进剂制备、输送供给方式和雾化特性的试验研究以及对凝胶推进剂补燃特性的数值仿真研究，为凝胶补燃发动机的设计和优化奠定了一定的试验和理论基础。
　　(1)针对过氧化氢氧化性强和不稳定易分解的特点，重点分析了有机胶凝剂和纳米SiO2的分子结构、成胶机理、成胶工艺以及由不同胶凝剂构建的凝胶体系的稳定性，最终发现由于纳米SiO2分子表面具有大量的高活性硅羟基，这些硅羟基通过氢键的相互作用构建空间网格结构，最终形成了稳定的、具有良好刺激响应特性的凝胶体系;通过进一步的研究，发现向纳米SiO2形成的过氧化氢凝胶体系中添加司盘80或者吐温60可以大大提高过氧化氢凝胶的稳定性;
　　(2)设计出性能稳定、可靠性强、流量可调和工作稳定的凝胶输送装置。根据试验的工作要求，计算校核系统各零部件的强度，根据校核结果选择合适的零部件并最终搭建起凝胶输送装置;此外为了更准确的研究过氧化氢凝胶推进剂的工作特性，本文还选用了美国博勒飞流变仪和Dantec公司生产的高精度PIV系统;
　　(3)针对过氧化氢凝胶推进剂的特性，搭建撞击角度可调的撞击式雾化喷嘴试验台。采用PIV系统分别研究了撞击角度和射流压差对凝胶推进剂模拟液撞击雾化液膜、速度分布的影响。结果表明:撞击速度和撞击角的增大均可缩短撞击后液膜的破碎长度和改善液滴速度的分布均匀程度，两者都会对撞击雾化产生重要的影响;
　　(4)由于固体推进剂燃烧产物中富含大量的可燃气体，因此通过向该富燃气体中喷注气体氧化剂，可以使富燃气体在补燃室内二次燃烧，大幅度提高燃烧温度，降低燃烧产物中的可燃成分。利用Fluent商业软件对补燃过程进行了数值模拟，计算得出补燃后的燃烧温度比未补燃温度提高了31.8％，H2质量分数降低了43.94％，CO质量分数降低了34.94％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 凝胶的制备研究

1．2．2 凝胶推进剂的流变性研究

1．2．3 凝胶推进剂的雾化研究

1．2．4 凝胶推进剂应用探索

1．3 本文主要内容

2 过氧化氢凝胶制备

2．1 有机胶凝剂凝胶／过氧化氢研究

2．2 硅酸镁锂／过氧化氢凝胶研究

2．2．1 硅酸镁锂凝胶机理

2．2．2 硅酸镁锂／过氧化氢凝胶工艺研究

2．3 纳米SiO2／过氧化氢凝胶研究

2．3．1 纳米SiO2凝胶机理

2．3．2 纳米SiO2凝胶过程研究

2．3．3 纳米SiO2分散工艺

3 试验系统组成及搭建

3．1 过氧化氢凝胶流变测定系统

3．2．1 凝胶推进剂供给系统的性能要求

3．2．2 凝胶推进剂电机驱动输送系统

3．2．3 高压气体驱动输送系统

3．2．4 小结

3．3 PIV测速系统

3．3．1 PIV发展简介

3．3．2 平面二维PIV的工作原理

3．3．3 PIV系统及结构组成

4 基于PIV的凝胶推进剂雾化试验研究

4．1 PIV图像处理简介

4．1．1 PIV中的互相关分析

4．1．2 互相关分析的实现方法

4．2 撞击雾化的实现

4．2．1 试验装置性能要求

4．2．2 试验工质的选取

4．2．3 试验方案

4．2．4 试验步骤

4．3 凝胶模拟液雾化速度场试验研究

4．3．1 雾化速度场测定试验参数设置

4．3．2 试验结果及分析

4．4 凝胶推进剂撞击雾化液膜试验研究

4．4．1 雾化液膜测定试验参数设置

4．4．2 试验结果及分析

4．5 本章小结

5 数值模拟研究

5．1 研究背景及意义

5．2 数学物理模型

5．2．1 燃烧模型

5．2．2 湍流模型

5．2．3 发动机设计指标

5．2．4 模型尺寸选择

5．2．5 计算网格的生成

5．2．6 边界条件

5．3 模拟结果与分析

5．3．1 燃烧温度结果

5．3．2 生成燃烧产物分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要工作与结论

6．2 创新点

6．3 研究工作展望

致谢

参考文献

附录